(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部を含む浮き部分とを備え、
前記基板上にその一部が支持された少なくとも２つの膜状の支持部が設けられており、
前記浮き部分が前記支持部によって前記基板から空隙層を介して浮いた状態で支持され、
前記少なくとも２つの膜状の支持部は、前記基板に支持されていない部分が前記浮き部分の前記基板とは反対側の面上の周縁部まで延び、かつ前記振動部から離れていることを特徴とする、圧電薄膜共振子。
【請求項２】
前記少なくとも２つの膜状の支持部は導電膜からなり、
前記一対の励振電極の一方は、前記支持部の一方に電気的に接続され、
前記一対の励振電極の他方は、前記支持部の他方に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１記載の圧電薄膜共振子。
【請求項３】
前記浮き部分と前記空隙層との境界を含む面は、前記基板と前記支持部との境界を含む面とは、間隔を設けて離れていることを特徴とする、請求項１又は２記載の圧電薄膜共振子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜共振子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電薄膜共振子は、対向する一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部を基板から音響的に分離するため、薄膜部（メンブレン）を空隙層を介して基板から部分的に浮き上がるように構成している。【０００３】
例えば図１に模式的に示したように、圧電薄膜共振子１０は、基板１１上に、誘電体膜１２、下部電極１４、圧電薄膜１６、上部電極１８が形成されて構成されている。基板１１と誘電体膜１２との間には空隙層１３（図１（ａ）参照）が形成され、電極１４，１８が重なり合った積層方向の部分の誘電体膜１２、下部電極１４、圧電薄膜１６及び上部電極１８、すなわち振動部１９が基板１１から浮き上った構造となっている。空隙層は、基板１１と誘電体膜１２との間に形成された犠牲層１７（図１（ｂ）参照）を最終的に除去することにより、形成される。【０００４】
誘電体膜１２、下部電極１４、圧電薄膜１６及び上部電極１８を含む薄膜部は、基板に支持される支持部分と、基板から浮いた浮き部分とを含む。一般に、浮き部分は、基板と平行に延在する中間部分と、支持部分および中間部分に接続され、基板に対して斜めに延在するテーパ部とを有し、テーパ部が支持部分や中間部分と接続される部分では、断面が折れ曲がるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６１−２１８２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように断面が折れ曲がる構成の圧電薄膜共振子は、圧電薄膜の破壊や電極の断線などが起こり易い。【０００６】
すなわち、共振子の振動モードを基本波とした場合、犠牲層除去後のメンブレンは圧電薄膜と、それをはさんだ１対の電極からなる。その場合、メンブレンの強度が弱いため、犠牲層除去後にメンブレンが破壊したり、マイクロクラックが入ったり、振動膜がたわんだりする。【０００７】
圧電薄膜の上側、ないし、下側に誘電体膜を形成してメンブレンの強度を持たせるようにしているが、強度に期待が持てるほど誘電体膜を形成すると、共振の帯域が狭くなり、共振特性が劣化する。この共振子を用いた場合、フィルタの帯域も小さくなり、所望のフィルタを作製することができない。また、誘電体膜を形成する場合、圧電薄膜の応力に誘電体膜の応力が加わり、さらにメンブレンの強度が低下したり、振動部がたわんだりする。【０００８】
また、個々の素子に分離するダイシング工程で、メンブレンの強度不足より、ダイアフラム破壊が生じやすい。さらに、実装時の取り扱い時に、振動部が剥き出しになっているため、振動部に負荷がかかりやすく、素子が破壊する不良が発生しやすい。【０００９】
そのため、テーパ部の折れ曲がり角度、つまり基板に対する傾き角度（テーパ角）は、できるだけ小さくすることが望ましい。【００１０】
しかし、基板と浮き部分の中間部分との間の距離が一定であれば、テーパ角が緩くなるほど、浮き部分のテーパ部の面積を大きくする必要があり、素子寸法を大きくする必要がある。【００１１】
そのため、実際には、テーパ角度は約１５度にするのが限度であり、圧電薄膜の破壊や電極断線などは完全には無くすことはできない。【００１２】
本発明は、かかる実情に鑑み、圧電薄膜の破壊や電極断線などをほぼ完全に無くすことが可能である、圧電薄膜共振子およびその製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した圧電薄膜共振子を提供する。【００１４】
圧電薄膜共振子は、基板と、一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部を含む浮き部分とを備える。前記基板上にその一部が支持された少なくとも２つの膜状の支持部が設けられている。前記浮き部分が前記支持部によって前記基板から空隙層を介して浮いた状態で支持されている。前記少なくとも２つの膜状の支持部は、前記基板に支持されていない部分が前記浮き部分の前記基板とは反対側の面上の周縁部まで延び、かつ前記振動部から離れている。
【００１５】
上記構成によれば、圧電薄膜を浮き部分にのみ配置し、複雑な応力状態となる浮き部分と基板との間の支持部には配置しないようにして、圧電薄膜共振子素子の破壊や電極断線をなくすことができる。また、浮き部分と基板との間に延在する支持部に圧電薄膜がなければ、支持部にテーパ部を形成する必要がないため、圧電薄膜共振子素子の小型化を図ることができる。前記少なくとも２つの膜状の支持部は、前記基板に支持されていない部分が前記浮き部分の前記基板とは反対側の面上の周縁部まで延びている構成によれば、配線の電気抵抗をより低減し、圧電薄膜共振子のＱをより高くすることができる。
【００１６】
好ましくは、少なくとも２つの膜状の支持部は導電膜からなる。前記一対の励振電極の一方は、前記支持部の一方に電気的に接続されている。前記一対の励振電極の他方は、前記支持部の他方に電気的に接続されている。【００１７】
上記構成によれば、圧電薄膜を挟む一対の励振電極に接続された配線の電気抵抗を低減し、圧電薄膜共振子のＱを高くすることができる。【００２０】
好ましくは、前記浮き部分と前記空隙層との境界を含む面は、前記基板と前記支持部との境界を含む面とは、間隔を設けて離れている。【００２１】
上記構成によれば、基板には、圧電薄膜を含む浮き部分が配置される側の面が平坦なものを使用することができる。凹部を有する基板を用いると圧電薄膜共振子の機械的強度が相対的に弱くなるが、平坦な基板を用いて上記のように構成すれば、圧電薄膜共振子の機械的強度を相対的に強くすることできる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の圧電薄膜共振子およびその製造方法によれば、圧電薄膜に無理な力が作用しない単純な形状にすることができ、圧電薄膜の破壊や電極断線などを完全に無くすことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】圧電薄膜共振子の（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。（従来例）
【図２】圧電薄膜共振子の（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。（実施例１）
【図３】圧電薄膜共振子の（ａ）平面図、（ｂ）断面図である。（実施例２）
【図４】圧電薄膜共振子の断面である。（実施例３）
【符号の説明】
【００２４】
２０  圧電薄膜共振子
２１  基板
２２  犠牲層
２２ｘ  端部
２３  空隙層
２４  下部電極（薄膜部）
２５  補強膜（薄膜部）
２６  圧電薄膜（薄膜部）
２７  振動部
２８  上部電極（薄膜部）
２９  補強膜（薄膜部）
３０  圧電薄膜共振子
３１  基板
３２  犠牲層
３３  空隙層
３４  下部電極（薄膜部）
３５  補強膜（薄膜部）
３６  圧電薄膜（薄膜部）
３７  振動部
３８  上部電極（薄膜部）
３９  補強膜（薄膜部）
４０  圧電薄膜共振子
４１  基板
４３  凹部（空隙層）
４４  下部電極（薄膜部）
４５  補強膜（薄膜部）
４６  圧電薄膜（薄膜部）
４７  振動部
４８  上部電極（薄膜部）
４９  補強膜（薄膜部）
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態として実施例について、図２〜図４を参照しながら説明する。【００２６】
（実施例１）
図２を参照しながら、本発明の第１実施例の圧電薄膜共振子２０について説明する。図２（ｂ）は、圧電薄膜共振子２０の構造を模式的に示す平面である。図２（ａ）は、図２（ｂ）の線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である。【００２７】
圧電薄膜共振子２０は、基板２１上に、下部電極２４、圧電薄膜２６、上部電極２８、補強膜２５，２９によって薄膜部が形成されている。基板２１と下部電極２４との間には空隙層２３（図２（ａ）参照）が形成され、電極２４，２８が重なり合った積層方向の部分の下部電極２４、圧電薄膜２６及び上部電極２８、すなわち振動部２７が基板２１から浮き上った構造となっている。圧電薄膜２６は、基板２１から浮き上がった部分（空隙層２３の上方）にのみ配置されている。空隙層２３は、基板２１と下部電極２４との間に形成された犠牲層２２（図２（ｂ）参照）を、最終的に除去することにより形成される。基板２１から浮き上がった部分、すなわち浮き部分は、両側２箇所の膜状の支持部によって、基板２１に支持されている。２つの膜状の支持部は導電膜からなり、それぞれ補強膜２５，２９を含んでいる。【００２８】
圧電薄膜共振子２０は、以下のようにして作製する。【００２９】
まず、基板２１に犠牲層２２を形成する。基板２１には、安価で加工性に優れた基板を用いる。表面が平坦なＳｉやガラス基板はなおよい。この基板２１上に、スパッタリング法やフォトエッチング法などの手法を用いて、化学的に溶解しやすい酸化亜鉛などの空隙層形成用の犠牲層２２を形成する。犠牲層２２の材料は、圧電薄膜２６の成膜時に達する可能性のある高温に耐え、かつ容易に除去できるものであることが好ましい。例えば、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属や、リンゴ酸シリケートガラス（ＰＳＧ）や、ポリマーなどを用いる。ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン又はその誘導体、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリイミドシロキサン、ビニルエーテル、ポリフェニル、パリレン−ｎ、パリレン−ｆ、ベンゾシクロブテンなどが好ましい。形成する犠牲層２２の厚さは、メンブレンがたわんでも振動部２７が基板２１と接触しない厚さが必要であり、作製の容易さから５０ｎｍ以上数μｍ以下が好ましい。また、犠牲層２２の端部と振動部２７との間の距離の最小値は、振動部２７の厚みの５０倍以下とする。【００３０】
次に、下部電極２４を形成する。下部電極２４は、スパッタ、めっき、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着などによる成膜と、フォトリソグラフィー技術によるパターニングを用いることにより、犠牲層２２及び基板２１の上に形成する。下部電極２４は、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉなどの金属材料を主材とし、犠牲層２２上から基板２１上の一方側（図２において左側）にかけて帯状に形成する。【００３１】
次に、圧電薄膜２６を形成する。圧電薄膜２６は、スパッタなどによる成膜と、フォトリソグラフィー技術によるパターニングを用いたリフトオフ法により、酸化亜鉛や窒化アルミなどを、下部電極２４の犠牲層２２上に形成された部分の上に、形成する。圧電薄膜２６として窒化アルミを形成する場合、酸化亜鉛を用いたリフトオフ法により、窒化アルミをパターニングする。これに代え、窒化アルミを形成し、その上にレジストパターン形成し、強アルカリ溶液によるウエットエッチングで窒化アルミをパターニングしてもよい。【００３２】
次に、上部電極２８を形成する。上部電極２８は、圧電体膜２６及び基板２１の上に、下部電極２４同様に、形成する。上部電極２８は、圧電薄膜２６上から基板２１上の他方側（図２において右側）にかけて帯状に形成する。【００３３】
次に、補強膜２５，２９を形成する。補強膜２５，２９は、下部電極２４と上部電極２８が圧電薄膜２６を挟んだ領域には形成しない。補強膜２５，２９の厚さは、作製の容易さから５０ｎｍ以上５０μｍ以下が好ましい。また、補強膜２５，２９の端部と振動部２７との間の距離の最小値は、振動部２７の厚みの５０倍以下にする。【００３４】
補強膜２５，２９として、導電性の材料を用いる。形成方法は、メッキ、スクリーン印刷、スパッタ、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着等である。補強膜２５，２９を構成する材料は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ、Ｚｒなど、これらのうち少なくとも１つの元素を含む金属（合金も含む）材料である。振動部２７にかからない電極上には、できるだけ補強膜２５，２９を形成するようにする。【００３５】
次に、エッチホールを形成する。エッチホールは、共振子構成膜を形成後に犠牲層２２を除去するための部位である。電極２４，２８、圧電薄膜２６からはみ出した犠牲層２２の端部２２ｘをエッチホールに用いることができる。なお、エッチホールの形成場所は、振動部２７や電極２４，２８から離れた場所であってもよい。できるだけ小型化するとともにエッチング時間を短縮するために、電極２４，２８に接続された補強膜２５，２９の一部分を貫通するように形成してもよい。この場合、エッチホールの周囲に補強膜２５，２９を残し、補強膜２５，２９によりエッチホールを補強することが好ましい。【００３６】
次に、犠牲層２２を前記エッチホール２２ｘからエッチングし、空隙層２３を形成する。エッチングする際に、電極２４，２８、圧電薄膜２６、補強膜２５，２９をフォトレジストなどのエッチマスクで覆ってもよい。次に、たとえば、犠牲層２２に酸化亜鉛を用いた場合、塩酸や燐酸などの酸性の溶液を用いて酸化亜鉛を除去する。エッチング後には、フォトレジストなどのエッチマスクをアセトンなどの有機溶媒により除去する。圧電薄膜２６、電極２４，２８、補強膜２５，２９をエッチングしない溶液を用いて犠牲層２２をエッチングする場合には、フォトリソグラフィーによるパターニングとエッチマスクの除去という工程は、削除することができる。たとえば、電極２４，２８にＡｕやＰｔを用い、圧電薄膜２６に窒化アルミを用いた場合、パターニングすることなく酢酸や燐酸などの混合液により、犠牲層２２の酸化亜鉛を除去することができる。エッチング後、ＩＰＡなどの揮発性の溶液で十分置換し、乾燥させて空隙層２３を形成する。【００３７】
以上の方法により、ウェハを用いて複数個を同時に作製し、ダイシング等によって、個々の素子に分離して、パッケージングする。【００３８】
圧電薄膜共振子２０の犠牲層２２の端部は、図２（ａ）に示したように急峻にしてもよいので、犠牲層２２にエピタキシャルＺｎＯ膜を用いることができる。この場合、犠牲層２２の上に形成された下部電極２４と圧電薄膜２６の配向性を、従来に比べて向上させることができ、共振子特性を向上させることができる。従来は、図１のように圧電薄膜１６が折り曲がるので、応力を緩和するために犠牲層１７の端に緩やかなテーパを形成できるＺｎＯ膜を、犠牲層１７として用いる必要があった。このような犠牲層１７上に形成される圧電薄膜１６の配向を揃えることは、困難であった。【００３９】
振動部２７と基板２１との間を接続する部分に形成する補強膜２５，２９には、金属を用いる。金属は、膨張係数が基板２１や圧電薄膜２６より大きいが、延性、展性に富むので、基板２１や圧電薄膜２６との膨張係数の違いによる熱応力を緩和できる。【００４０】
圧電薄膜共振子２０は、例えば、共振周波数２ＧＨｚの場合、下部電極２４と上部電極２８が重なる振動部２７は、平面視で一辺が約０．１ｍｍの矩形形状である。空隙層２３の高さを１μｍ、犠牲層２２の端のテーパ角度を１５度に形成すると、テーパ部の長さは、電極２４，２８の取り出し方向（図２（ａ）において左右方向）に、それぞれ約数μｍ必要となる。実施例１によれば、テーパ部をなくして素子の小型化を図ることができる。【００４１】
以上に説明したように、圧電薄膜共振子２０は、犠牲層２２の除去後に応力が集中する部分、すなわち、メンブレンの基板との接続部およびその近傍部分に、補強膜２５，２９が形成されている。これによって、メンブレンの強度が上り、メンブレンのクラックや、たわみによる特性不良を低減することができる。【００４２】
また、圧電薄膜共振子２０は、空隙層２３を介して基板２１から浮いている浮き部分にのみ圧電薄膜２６を形成し、圧電薄膜２６と基板２１との間は、電極層２４，２８や補強膜２５，２９によって接続している。これにより、犠牲層２２（空隙２３）や圧電薄膜２６の端面の形状によらず、抵抗不良なく配線を行なうことができるので、振動部２７と基板２１とを接続する部分にテーパ部を設ける必要がなく、素子の小型化を図ることができる。【００４３】
また、工程の安定化を図ることができる。すなわち、補強膜２５，２９よりも振動部２７が後退しているため、振動部２７に負荷がかかりにくい上、メンブレンの強度が補強されているので、実装時の取り扱い時に素子が破壊しない。ダイシング工程においても、メンブレンの強度が補強されているので、ダイアフラム破壊が生じない。【００４４】
さらに、犠牲層２２の材料選択の自由度が大きくなるので、基板２１上に形成したエピタキシャル状の酸化亜鉛犠牲層などを用いることもできる。その場合、犠牲層２２上に形成する電極２４、圧電薄膜２６を容易にエピタキシャル成長させることができるので、圧電薄膜２６の膜質向上による特性向上、下部電極２４と圧電薄膜２６の膜質向上による耐電力性の向上が期待できる。【００４５】
（実施例２）
図３を参照しながら、本発明の第２実施例の圧電薄膜共振子３０について説明する。図３（ａ）は、圧電薄膜共振子３０の構造を模式的に示す平面である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿って切断した断面図である。【００４６】
圧電薄膜共振子３０は、実施例１とは異なり、下部電極３４と上部電極３８とが、図３（ａ）に示すように、十字状に交差している。圧電薄膜共振子３０は、実施例１と大略同様に、基板３１上に、下部電極３４、圧電薄膜３６、上部電極３８、補強膜３５，３９が形成されている。基板３１と下部電極３４との間には空隙層３３（図３（ｂ）参照）が形成され、電極３４，３８が重なり合った積層方向の部分の下部電極３４、圧電薄膜３６及び上部電極３８、すなわち振動部３７が基板３１から浮き上った構造となっている。圧電薄膜３６は、基板３１から浮き上がった部分（空隙層３３の上方）にのみ配置されている。空隙層３３は、基板３１と下部電極３４との間に形成された犠牲層３２（図３（ａ）参照）を最終的に除去することにより形成される。【００４７】
（実施例３）
図４を参照しながら、本発明の第３実施例の圧電薄膜共振子４０について説明する。図４は、圧電薄膜共振子４０の構造を模式的に示す平面である。【００４８】
圧電薄膜共振子４０は、実施例１とは異なり、基板４１に凹部４３が形成されている。圧電薄膜共振子４０は、実施例１と大略同様に、基板４１上に、下部電極４４、圧電薄膜４６、上部電極４８、補強膜４５，４９が形成されている。基板４１の凹部４３の上方に、電極４４，４８が重なり合った積層方向の部分の下部電極４４、圧電薄膜４６及び上部電極４８、すなわち振動部４７が配置され、振動部４７が空間に浮く構造となっている。圧電薄膜４６は、基板４１から浮いた部分（凹部４３の上方）にのみ配置されている。圧電薄膜４６は平坦に形成され、圧電薄膜４６の折れ曲がり、すなわちテーパ角度は０°である。【００４９】
圧電薄膜共振子４０は、実施例１と略同様の手順で作製することができる。すなわち、基板４１に凹部４３を形成した後、凹部４３に犠牲層を充填して平らにした状態で、実施例１と同様に、下部電極４４、圧電薄膜４６、上部電極４８、補強膜４５，４９を形成する。最後に、凹部４３から犠牲層を除去する。【００５０】
次に、実施例１〜３の変形例について、説明する。【００５１】
（変形例１）
実施例２において、それぞれの電極３４，３８上に形成する各２箇所の補強膜３５，３９について、一方を金属材料のみで構成し、他方を絶縁層を含む２層以上の多層構造としてもよい。この場合、多層構造は、電極の圧電薄膜に隣接する部分と、基板に隣接する部分とを電気的に接続する導電層の他に、酸化珪素、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミ、酸化チタン、酸化タンタルなどを主材料とした絶縁材料による絶縁層を含むようにする。【００５２】
前述したように、金属は、膨張係数が基板や圧電薄膜より大きいが、延性、展性に富むので、基板や圧電薄膜との膨張係数の違いによる熱応力を緩和できる。一方、非金属や金属酸化物を補強膜に用いた場合、膨張係数は基板や圧電薄膜に近いので熱応力に対して有利であるが、脆性を示すため外力によって破壊されやすいという欠点がある。変形例１は、金属の補強膜の長所と、非金属や金属酸化物の補強膜の長所とを組み合わせたものである。【００５３】
実施例２と同様に、犠牲層除去後に応力が集中する部分、すなわちメンブレンの基板との接続部及びその近傍に補強膜が形成されているので、メンブレンの強度が上り、メンブレンのクラックや、たわみによる特性不良を低減することができる。【００５４】
補強膜が金属材料のみである場合、下部電極と上部電極を電気的に短絡させないように、また、両者の電極間の寄生容量が共振特性に悪影響を及ぼさないように、補強膜を配置しなければならない。絶縁材料を用いれば、共振子の電気的配線を考慮しないですむため、補強材料のレイアウトの自由度が大きくなる。【００５５】
補強膜を金属材料と絶縁材料を用いた多層構造とすることで、補強膜の応力を緩和することができるため、メンブレンの強度が向上する。【００５６】
補強膜として、熱伝導率のよい窒化アルミを用いると、放熱性も上がり、耐電力性に優れた圧電薄膜共振子を得ることができる。【００５７】
金属のみの補強膜で、主に応力が緩和される。【００５８】
（変形例２）
実施例１〜３において、振動部を構成する下部電極と上部電極を誘電体膜で挟み込む。誘電体膜には、例えば、窒化珪素や窒化アルミなどの窒化物、酸化珪素や酸化アルミなどの酸化物などが好ましい。振動部を誘電体膜で挟み込むことにより、振動部を水分や腐食物質から保護し、素子の信頼性が向上する。【００５９】
以上に説明した上記各実施例の圧電薄膜共振子は、テーパ部を設ける必要がないので、圧電薄膜に無理な力が作用しない単純な形状にすることができる。そのため、圧電薄膜の破壊や電極断線などを完全に無くすことが可能である。【００６０】
なお、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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